雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法，由支承架、轉(zhuǎn)接件、雙端音叉和光纖微探球構(gòu)成。支承架用于固定整個(gè)測(cè)頭機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)接件分別固定于支承架下方的兩端，用于連接支承架及雙端音叉。雙端音叉同時(shí)作為懸臂梁和微力傳感器，其下叉臂正中間下方固定設(shè)置一體式光纖微探球。本發(fā)明方法設(shè)置雙端音叉帶動(dòng)的一體式光纖微探球在Z方向上與試樣以輕敲模式接觸，在X、Y方向上與試樣以摩擦模式接觸，檢測(cè)雙端音叉諧振信號(hào)的變化作為反饋量表征一體式光纖微探球與試樣表面的碰觸程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的真三維測(cè)量。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)柔軟材料等的精確觸發(fā)定位和低破壞性測(cè)量，并可用于對(duì)微內(nèi)孔試樣內(nèi)壁的高精度真三維測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納米測(cè)頭領(lǐng)域，具體是一種雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米測(cè)量技術(shù)是納米科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，超精加工和超微加工進(jìn)入納米技術(shù)的新時(shí)代，對(duì)微型光學(xué)器件、MEMS等微納米結(jié)構(gòu)的真三維測(cè)量要求達(dá)到納米、亞納米量級(jí)，測(cè)量力達(dá)到微牛甚至納牛量級(jí)，但目前商用CMM測(cè)量精度不高，且所用三維測(cè)頭的微探球直徑較大，無(wú)法探測(cè)特征尺寸很小的微型器件。三維觸發(fā)定位技術(shù)作為微納三維測(cè)量技術(shù)的核心，納米量級(jí)的三維觸發(fā)定位分辨率是實(shí)現(xiàn)微器件等真三維納米測(cè)量的基礎(chǔ)。高分辨率對(duì)應(yīng)于高靈敏度，即要求微納米測(cè)頭系統(tǒng)應(yīng)具有較高品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)測(cè)頭系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和測(cè)量過(guò)程穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量的必要因素。
[0003]鑒于在數(shù)百微米至數(shù)毫米尺度間三維測(cè)量技術(shù)的空白，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些著名研究機(jī)構(gòu)都致力于微納米三維測(cè)量技術(shù)及微納米三維測(cè)頭的開(kāi)發(fā)，取得了一定進(jìn)展，目前還沒(méi)有成熟的技術(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)三維測(cè)量存在的問(wèn)題。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0006]雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:包括有支承架，支承架底部架面連接有兩個(gè)完全相同位置對(duì)稱的轉(zhuǎn)接件，還包括有雙端音叉，所述雙端音叉由兩個(gè)叉端和連接兩個(gè)叉端的叉臂對(duì)構(gòu)成，雙端音叉的兩個(gè)叉端一一對(duì)應(yīng)連接在轉(zhuǎn)接件底面，叉臂對(duì)中兩個(gè)叉臂分別平行于支承架底部架面并沿豎向并行設(shè)置，叉臂對(duì)中位于下方的叉臂正中間底面固定有一體式光纖微探球。
[0007]所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對(duì)上設(shè)置有電極，通過(guò)電極激勵(lì)雙端音叉帶動(dòng)光纖微探球諧振。
[0008]所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:光纖微探球基于光纖拉錐技術(shù)和光纖熔融燒球技術(shù)制備而成。
[0009]所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉的振動(dòng)方式為，在電極的激勵(lì)下兩個(gè)叉臂在平面內(nèi)沿寬度方向反相彎曲振動(dòng)。
[0010]所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動(dòng)模式及工作頻率相關(guān)，彎曲振動(dòng)模式下XY切型對(duì)應(yīng)頻率范圍I?80KHZ，NT切型對(duì)應(yīng)頻率范圍40?IOOKHz ;所述雙端音叉叉臂長(zhǎng)度沿石英晶體y軸方向，寬度沿石英晶體X方向，厚度沿石英晶體z軸方向，即采用(zyw)5°切型切角結(jié)構(gòu)。
[0011]所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關(guān)，即可通過(guò)改變叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度調(diào)節(jié)雙端音叉的諧振頻率及力頻系數(shù)，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數(shù)與其幾何尺寸的相關(guān)關(guān)系式分別為:
【權(quán)利要求】
1.雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:包括有支承架，支承架底部架面連接有兩個(gè)完全相同位置對(duì)稱的轉(zhuǎn)接件，還包括有雙端音叉，所述雙端音叉由兩個(gè)叉端和連接兩個(gè)叉端的叉臂對(duì)構(gòu)成，雙端音叉的兩個(gè)叉端一一對(duì)應(yīng)連接在轉(zhuǎn)接件底面，叉臂對(duì)中兩個(gè)叉臂分別平行于支承架底部架面并沿豎向并行設(shè)置，叉臂對(duì)中位于下方的叉臂正中間底面固定有一體式光纖微探球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對(duì)上設(shè)置有電極，通過(guò)電極激勵(lì)雙端音叉帶動(dòng)光纖微探球諧振。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:光纖微探球基于光纖拉錐技術(shù)和光纖熔融燒球技術(shù)制備而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉的振動(dòng)方式為，在電極的激勵(lì)下兩個(gè)叉臂在平面內(nèi)沿寬度方向反相彎曲振動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動(dòng)模式及工作頻率相關(guān)，彎曲振動(dòng)模式下XY切型對(duì)應(yīng)頻率范圍I~80KHz，NT切型對(duì)應(yīng)頻率范圍40~IOOKHz ;所述雙端音叉叉臂長(zhǎng)度沿石英晶體y軸方向，寬度沿石英晶體X方向，厚度沿石英晶體z軸方向，即采用(zyw)5°切型切角結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關(guān)，即可通過(guò)改變叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度調(diào)節(jié)雙端音叉的諧振頻率及力頻系數(shù)，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數(shù)與其幾何尺寸的相關(guān)關(guān)系式分別為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于:雙端音叉兩個(gè)叉臂上電極的設(shè)置采用叉臂四周被電極方式，使沿兩個(gè)叉臂寬度方向產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的電場(chǎng)。
8.一種基于權(quán)利要求1所述雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)的真三維測(cè)量方法，其特征在于:通過(guò)叉臂四周被電極方式設(shè)置電極，激勵(lì)雙端音叉兩個(gè)叉臂平面內(nèi)沿寬度方向反相彎曲振動(dòng)，帶動(dòng)一體式光纖微探球面內(nèi)諧振；設(shè)置所述雙端音叉帶動(dòng)的一體式光纖微探球在豎直Z方向上與試樣以輕敲模式接觸，在水平面內(nèi)X、Y方向上與試樣以摩擦模式接觸；檢測(cè)雙端音叉諧振信號(hào)的變化以表征所述光纖微探球與試樣表面的碰觸程度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的真三維測(cè)量方法，其特征在于:所述雙端音叉對(duì)軸向力極為敏感，故雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)在X向具有更高觸發(fā)靈敏度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的真三維測(cè)量方法，其特征在于:所述諧振信號(hào)為雙端音叉的諧振頻率或諧振相位。
【文檔編號(hào)】G01B7/28GK104019736SQ201410261860
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】余惠娟, 黃強(qiáng)先, 袁鈺, 趙曉萌, 卞亞魁 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)
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